空間譜估計(jì)超分辨測向算法的硬件實(shí)現(xiàn)

?　空間譜估計(jì)超分辨是一種空域處理技術(shù)，具有優(yōu)越的空域參數(shù)（如方位角）估計(jì)性能。空間譜估計(jì)屬于陣列信號(hào)處理的一個(gè)重要分支，其基本原理是通過空間陣列接收數(shù)據(jù)的相位差來確定一個(gè)或幾個(gè)待估計(jì)的參數(shù)，如方位角、俯仰角及信號(hào)源個(gè)數(shù)等?？臻g譜估計(jì)超分辨技術(shù)可以大大改善在系統(tǒng)處理帶寬內(nèi)空間信號(hào)的角度估計(jì)精度、角度分辨力及其他相關(guān)參數(shù)精度，因而在雷達(dá)、通信、聲吶等眾多領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。
　　為了滿足快速掃描及系統(tǒng)處理的實(shí)時(shí)性要求，本系統(tǒng)采用支持浮點(diǎn)運(yùn)算的高速處理器ADSP-TS101S，其DSP之間鏈路口的無縫連接可以提供高速率數(shù)據(jù)傳輸；采用空間譜估計(jì)中MUSIC算法對(duì)從天線陣元接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提高測角精度，實(shí)現(xiàn)超分辨測向；用多片DSP分工同時(shí)進(jìn)行目標(biāo)搜索可以提高搜索速度。本文主要研究基于ADSP-TS101S多處理器系統(tǒng)的空間譜估計(jì)超分辨測向算法的硬件實(shí)現(xiàn)。
　　1 空間譜估計(jì)超分辨測向基本原理
　　空間譜估計(jì)超分辨測向的基本原理為通過對(duì)多元天線陣接收的空中無線電信號(hào)進(jìn)行放大、變頻、采樣以及A／D變換后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來估計(jì)信號(hào)的來波方向，其中最常用的算法是多重信號(hào)分類（MUSIC）算法。MUSIC算法的過程為先計(jì)算陣列接收數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣R，對(duì)R進(jìn)行特征分解求出其特征值和特征向量。根據(jù)特征值可以確定信號(hào)源的數(shù)量，利用由特征向量組成的信號(hào)子空間和噪聲子空間的正交關(guān)系，對(duì)兩個(gè)子空間進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，確定無線電信號(hào)來波方向。
　　定義窄帶遠(yuǎn)場信號(hào)的DOA數(shù)學(xué)模型為：
　　
　　式中：X（t）為陣列數(shù)據(jù)，S（t）為空間信號(hào)，N（t）為噪聲數(shù)據(jù)，A為空間陣列的流型矩陣（導(dǎo)向矢量陣）。陣列數(shù)據(jù)X（t）的協(xié)方差矩陣R可寫成：
　　
　　Rs=E［S（t）SH（t）］是空間信號(hào)的相關(guān)矩陣，σ2為理想白噪聲功率。注意到R為滿秩陣，對(duì)R進(jìn)行特征值分解：
　　
　　式中：∧S為大特征值組成的對(duì)角陣，∧N為小特征值組成的對(duì)角陣。通常稱US為信號(hào)子空間，UN為噪聲子空間。定義空間譜為：
　　
　　當(dāng)導(dǎo)向矢量α（θ）不屬于信號(hào)子空間時(shí)，αH（θ）UN是一個(gè)不為零的矢量，而當(dāng)導(dǎo)向矢量屬于信號(hào)子空間時(shí)，αH（θ）UN是一個(gè)趨近于零的矢量。所以由空間譜公式得到的空間譜PMUSIC（θ）在信號(hào)源方向會(huì)產(chǎn)生尖銳的“譜峰”，而在其他方向相對(duì)平坦。據(jù)此譜峰可以估計(jì)出信號(hào)的來向。
　　2 ADSP-TS101S的主要性能
　　TigerSHARC是ADI公司的定浮點(diǎn)兼容的高速DSP系列處理器，比SHARC系列處理器具有更多的片上存儲(chǔ)器、更高的并行度、更寬的帶寬、更快的時(shí)鐘速率以及更大的靈活度，是專門為數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)和復(fù)雜通信算法而設(shè)計(jì)的。
　　TigerSHARC系列的ADSP-TS101S內(nèi)部集成了靜態(tài)超標(biāo)量體系結(jié)構(gòu)和大容量的SRAM。處理器工作在300MHz，單周期能執(zhí)行4條指令，能實(shí)現(xiàn)每秒2.4億次乘累加操作和每秒1.8億次浮點(diǎn)操作，并且支持兩種方式的集成多處理器連接，很容易實(shí)現(xiàn)多片并行處理系統(tǒng)，使得該處理器能達(dá)到無縫超標(biāo)量能力和杰出的I／O性能表現(xiàn)。